巨厚砂層中鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究

汪銀廣 翟光耀 姚瑞平 周劉聰

(中國建筑第四工程局有限公司 廣東廣州 510665)

0 引言

由于鉆孔灌注樁具有承載力高、適應性廣、工藝簡單易于操作等特點，近年來廣泛用于高層建筑、特大型橋梁或對承載能力有較高要求的地基基礎中。但鉆孔灌注樁具有高度隱蔽性，其施工過程無法觀察，成樁后成樁質量不易檢測，且不同地層之間有不同的工藝參數與控制標準。尤其在穿越巨厚砂層中，由于砂層的內聚力為零，只有內摩阻力來保持穩定。在地下水位較高的地層中，砂層內的內摩阻力與抗剪強度因水層的滲透，均會降低，由此，在砂質地層中鉆孔，容易導致孔壁坍塌[1-2]。本文通過工程實例，詳細總結巨厚砂層下鉆孔灌注樁施工過程的重點控制措施，對其他類似地層中鉆孔灌注樁施工提高工作效率、降低施工成本等具有寶貴的借鑒意義。

1 工程概況

該工程位于南京市建鄴區河西南版塊，友誼街與廬山路交匯處，用地面積約150 000 m2。工程中所使用的樁徑φ600，設計有效樁長B區為45 m，C區為41 m，樁端進入含卵礫石中粗砂層持力層≥1.2 m。樁徑φ800，設計有效樁長B區為54 m，C區為50 m，樁端進入中風化粉砂質泥巖層持力層≥2.0 m。

勘探深度內揭示的巖土層，分為近期人工堆填物、新近期軟弱土體、砂性土、卵礫石、粉砂質泥巖5個工程地質大層。孔灌注樁需穿越的砂層厚度約為43.5 m，卵礫石夾砂層約為11.5 m，如圖1所示。

圖1 地質剖面

場地鉆探深度范圍內，地下水類型主要為孔隙潛水及承壓水，本場區地下水位最高一般在7～8月份。場地內孔隙潛水：主要賦存上部淺表土層于①層填土層及②層以淺土層中，勘察期間測得孔隙潛水初見水位埋深0.50 m～12.91 m (水位標高3.78 m～4.76 m)，穩定水位埋深0.70 m～13.11 m (水位標高3.58 m～4.56 m)。水位受季節性變化及附近河水位影響較大，年變化幅度一般在3.0 m左右。近3～5年及歷史最高地下水位可按室外地面整平標高下埋深0.5 m考慮。承壓水：主要賦存于②3層粉砂夾粉質黏土粉土、③1層粉細砂、③2層粉細砂、④層中粗砂混卵礫石中，富水性較好，具有承壓性。勘探期間測得承壓水穩定水位埋深4.02 m～12.05 m (水位標高3.08 m～3.19 m)。根據調查分析，該擬建場地地下水承壓含水層的水位，可能受附近地鐵站等地下工程施工降水影響，導致承壓水頭稍低。該承壓水位標高可結合鄰近長江水位綜合分析確定，設計時應考慮其影響。

2 試成孔試驗

試成孔試驗位置選擇在場內非原位試成孔，靠近現挖泥漿池區域。試成孔深度按設計要求的最深樁底標高控制施工。

試成孔施工的主要目的，是為獲取以下信息：①場地巖土工程地質資料復核；②檢驗所選型號鉆機鉆進成孔工藝在本場地的適用效果；③檢驗鉆機成孔的施工效率；④測定孔徑、垂直度、孔壁穩定和沉渣厚度及隨時間的變化曲線；⑤檢測成孔時自然造漿護壁是否滿足要求；⑥施工工藝和技術要求是否適宜，為該工程提高相應質量提供必要的依據。

該工程根據工程樁性質及場地地質條件，通過合理選擇施工機械、成孔過程中的泥漿控制指標參數，對φ600與φ800的樁徑試成孔情況匯總，可確定如下幾點：

(1)優質的泥漿是保證在巨厚砂層中鉆孔順利的關鍵。根據該工程的地質條件，鉆孔樁需穿越巨厚的砂層地質，鉆進成孔過程中容易造成坍孔，選用優質的泥漿護壁，可有效減少砂層地質中坍孔現象的發生。根據試成孔的結論，該工程在鉆進中泥漿護壁φ600樁徑45 m以上采用原土造漿，進入地下45 m以下采用黃泥造漿，φ800樁徑采用黃泥造漿。針對該工程樁基情況，主要施工樁機機械選擇為GPS-10、GPS-35回旋鉆孔樁機。

(2)該工程樁基試成孔確定泥漿的比重、粘度，pH值采用表1數據進行實時控制。

表1 泥漿技術指標表

(3)該工程φ600 mm孔徑成孔采用正循環鉆機進行施工，采用邊鉆進邊注入泥漿護壁的施工工藝。進入地下45 m以上采用原土造漿，進入地下45 m以下采用黃泥造漿，進入地面45 m以下，鉆頭進尺速度控制在20 cm/min以內。

(4)該工程φ600 mm的樁成孔結束后，進行第一次清孔，下放鋼筋籠，下放導管，再進行第二次清孔。現場φ600的樁徑采用正循環清孔。正循環清孔需要較長時間(30 min～90 min左右)；鉆進成孔后，經過5次試成孔，沉渣厚度達到設計規定的小于50 mm要求，確定了清孔的數據參數。

(5)該工程φ800 mm的樁徑成孔可采用正循環和反循環鉆機，反循環清孔時間控制在15 min～20 min，邊鉆進邊注入泥漿進行護壁，采用黃泥造漿。在成孔一清后立即下放鋼筋籠，下完鋼筋籠二清后，檢測成孔垂直度、樁徑、沉渣厚度。該尺寸樁徑在經過3次試成孔后，沉渣厚度達到了設計要求50 mm以內，在各項指標到達設計要求后，方進行下一步工序施工，成孔后30 min之內澆筑混凝土。

由于該工程鉆進中穿越巨厚砂層，鉆進過程中泥漿較易攜帶大量鉆渣，鉆渣在泥漿循環系統中比較容易沉淀。因此，根據場地情況，適當加長泥漿循環沉淀槽。泥漿池的開挖面積與泥漿池的容積同樣必須滿足施工要求，泥漿池開挖要滿足至少兩根樁所需要的泥漿，單個泥漿池內設置兩個池，一個為沉淀池，一個為泥漿循環池。科學設置泥漿循環系統同樣可使泥漿池含砂率、膠體率等得到進一步優化并重復使用。

3 鉆進成孔施工方法

3.1 護筒埋設

由于護筒在鉆進成孔過程中具有定位、保護孔口、防止地面石渣掉入孔內、保持泥漿壓力、防止坍孔、防止鉆進過程中的沉渣回流，同時也可兼做樁頂標高的控制依據。該工程中護筒長度3 m，埋至自然地面以上約 0.3 m，地面以下約2.7 m。局部地質條件較差位置的φ600、φ800的工程樁采用5 mm～6 mm的護筒，護筒直徑依據樁徑大小確定。鋼護筒埋設時應確保鋼護筒中心與樁位置的中心重合，其偏差不得大于20 mm，嚴格控制鋼護筒的垂直度小于0.5%。鋼護筒調整到位后，周邊用黏土均勻對稱回填并分層夯實，進行穩固鋼護筒。護筒埋設完成后，及時進行復核樁位，若存在誤差大于規范要求，則重新進行埋設。

3.2 泥漿循環控制

根據地勘資料顯示，該工程場地下有40 m以上的砂層，砂層之間的粘聚力較低，且場地內地下水位較高。在鉆進成孔中，砂層較易受到鉆機的擾動而出現流沙現象，進而影響到鉆孔孔壁的穩定性，嚴重的將引起坍孔、縮徑的情況。為解決這一問題，在鉆進成孔中采用優質的泥漿，泥漿護壁有著極為重要的作用。優質泥漿的液漿壓力可與地下水壓力相平衡，同時可對孔壁產生側向壓力，以維持孔壁的穩定，成為孔壁的一種液態支撐。泥漿中的膠質顆粒可滲入到孔壁中填補較大空隙，進而形成具有一定厚度密實的泥皮，促進孔壁膠結，防止內壁滲水導致流沙引起坍孔。在泥漿控制中泥漿循環過程中，孔內液面高度應始終高于護筒底一定距離，并將泥漿比重控制在規范之內，確保泥漿整體液柱的壓力大于孔壁內的側向應力，以保護孔壁，防止坍塌。由于地層中含有的粉質砂層較厚，鉆進過程中泥漿含砂量勢必有所增加，優質泥漿能將孔內的粉質砂顆粒攜帶到泥漿池內，對減少孔底沉渣起到重要作用。因此，在鉆進成孔過程中，應嚴格表1控制泥漿的粘度、比重、pH值等施工參數。當控制參數超過規定范圍，應及時進行調整，達到規定要求的參數時方可進行施工。

3.3 鉆進成孔與坍孔處理措施

3.3.1 鉆機定位

鉆機就位時，應確保機架的樁位中心、天車、轉盤中心在同一鉛垂線上，保證其對中誤差不得大于20 mm；鉆機就位后，應測量鉆機平臺標高來控制鉆孔深度，避免超鉆或少鉆，同時填寫報驗單，并經監理工程師對鉆機的對中、鉆桿垂直度、平臺水平等檢查驗收同意后，方可開始鉆孔施工。正式鉆孔前，鉆機應預先進行運轉試驗，檢查鉆機的穩定性和機器的運行狀況，確保后續成孔能連續進行施工。鉆機就位前，需根據設計要求對樁位進行確認。對正在成孔的樁位，在周邊進行另一根樁成孔時，其間距不得小于8 m。在澆注混凝土完成超過72 h但未到7 d的樁位，在周邊進行另一根樁成孔時，其間距不得小于4 m。

3.3.2 鉆進成孔

鉆孔施工前應先起動泥漿泵，待泥漿循環正常后，再開動鉆機慢速回轉，下放鉆頭進行成孔，直至施工到孔底。該工程處于巨厚砂層地質下，鉆孔過程中較易出現縮頸現象，因此，鉆桿直徑應擴大20 mm～30 mm。成孔施工應先輕壓慢鉆，待鉆進到2 m左右時，逐漸加大轉速和鉆壓進行正常鉆進。進入地面45 m以下，鉆頭的進尺速度控制在20 cm/min以內。在鉆進成孔施工中過程中，應經常檢測鉆機鉆桿的垂直度、回轉平臺的水平及成孔泥漿狀況，并隨時調整、做好詳細記錄。鉆進成孔施工中，應根據不同地勘地層適時調整參數。當鉆進成孔施工過程中需要加接鉆桿時，應先暫停鉆進，將鉆頭提升距孔底200 mm，并維持泥漿循環不超3 min，以清洗孔底并將管道內泥渣進行排凈。加接鉆桿時裝桿應擰緊，防止工具及鉆具掉入孔內。在鉆進成孔過程中，應密切關注樁架的穩定情況，檢查護筒周圍土體是否有下陷情況。

3.3.3 坍孔處理措施

在鉆進成孔施工過程中，如出現涌砂、坍孔等異常情況，應立即將鉆具提升，并控制泵量，保持沖洗液循環，吸除涌砂和坍落物，同時向孔內輸送要求的泥漿，保持水頭壓力來抑制繼續坍孔和涌砂。恢復鉆進后，控制泵排量示不宜過大，避免影響吸坍孔壁。鉆進達到要求孔深停鉆時，應維持正常循環，清洗吸除孔底沉渣至返出沖洗液的鉆渣含量小于4%為止。起鉆時應注意操作輕穩，并向孔內補入適量沖洗液，用來穩定孔內水頭高度。

4 混凝土灌注施工方法

4.1 成孔檢查

成孔檢查是灌注樁混凝土澆筑的前提，是保證后續成樁質量的關鍵工序。成孔結束后，采用井徑儀對成孔質量進行檢測，抽檢比例根據設計圖紙要求，按照總樁數的10%進行檢測，并書面報送設計單位。成孔檢查重點為檢查成孔的垂直度≤1/200、孔底沉渣≤50 mm、出漿口泥漿相對密度1.10～1.25深度≥設計深度等各項施工參數是否滿足規范的要求。

4.2 第一次清孔與沉渣厚度控制

鉆孔灌注樁砂層中的清孔應采用兩次清孔。第一次清孔在鉆孔達到要求深度后，孔垂直度、孔深、孔徑等項目檢查合格，報送監理工程師檢查合格后，方可進行孔底清理，否則重新進行掃孔。第一次清孔：停止鉆進后，將鉆錐提升起20 cm～30 cm，保持泥漿的正常循環，將泥漿壓入孔內，并將鉆孔內懸浮較多的泥漿置換掉。該工程中φ600的樁徑采用正循環清孔，φ800的樁徑采用正、反循環清孔工藝進行清孔。清孔時間按照試成孔結論中的時間進行控制。清孔過程中必須設有專人撈取鉆渣，加快清孔的速度，確保沉渣厚度小于設計要求的規定數值。

4.3 鋼筋籠與導管安放

4.3.1 鋼筋籠制作

該工程內鉆孔灌注樁深度較大，鋼筋籠較長屬于超長鋼筋籠，在加工、存放或者運輸中容易受力彎曲，致使鋼筋籠受力變形影響，鋼筋籠的垂直度不易于一次加工成型。因此，鋼筋根據9 m長定尺鋼筋采用分節制作，并預留一定搭接長度，搭接接頭間距長度應滿足設計大于等于1.2 m的要求。為達到控制保護層厚度目的，在鋼筋籠主筋上沿長度方向每隔9 m設置一道定位塊，沿鋼筋籠周圍對稱布置4個定位塊。在鋼筋籠內預置注漿管：注漿管選用Q235級鋼內徑57×3.2的鋼管(兼作聲測管)，其他不安裝聲測管樁采用內徑不小于25 mm，壁厚不應小于3.2 mm，Q235鋼管，且應與鋼筋籠加強筋焊接牢固，下部伸出鋼筋籠底部以下250 mm。

4.3.2 鋼筋籠連接

鋼筋籠分節制作并采用焊接連接。鋼筋籠主筋連接按設計要求進行，采用焊接連接，在焊接過程中應及時清渣。相鄰兩根主筋接頭間距≥1.2 m，在同一截面上接頭面積率應不大于50%，焊縫應滿足規范要求。對焊縫要求：該工程主筋連接采用焊接連接，單面焊接長度大于12 d，加強箍筋連接采用長12 d單面滿焊。鋼筋籠制作采用螺旋箍筋與主筋點焊，主筋與螺旋筋全部交點必須50%焊接牢固(間隔呈“梅花狀”進行點焊)；加強箍筋與主筋交點必須全部進行焊接，保證牢固。從事鋼筋安裝的所有人員需進行技術交底與施工前培訓，從事鋼筋焊接的焊工必須持有焊工考試合格證，且在施工前經技術交底與施工培訓后才能上崗操作。大風天氣和雨天不宜現場施焊，若須施焊時，應采取有效遮蔽措施。焊機應經常維護保養和定期檢修，確保正常使用。

4.3.3 鋼筋籠吊放

鋼筋籠吊放按照表2步驟進行。鋼筋籠吊放完畢后允許偏差。經檢查需符合鋼筋籠中心位置偏差不超過±10mm；鋼筋籠高偏差不超過±100mm。

表2 鋼筋籠吊裝步驟

4.3.4 導管安放

導管是灌注混凝土的重要工具。導管埋入混凝土內的深度將直接影響灌注樁的最終成樁質量，因此導管需嚴格要求。該工程中導管的安放選用Φ260 mm灌漿導管，導管須內平、筆直，必須對導管進行檢查，不符合要求的不得使用。導管長度按實際孔深而定，下管前清點根數，檢查聯接處密封情況，每節導管密封好，保證良好的密封性能，嚴防泥漿滲入管內。孔口連接時，在絲扣處涂抹機油，便于擰卸，嚴禁使用鐵錘打擊導管，防止變形。導管下放深度以出漿管底距孔底30 mm～50 mm為宜。

4.3.5 鋼筋未安放到位處理措施

該工程中由于鋼筋籠較長，在吊放鋼筋籠過程中，樁位較易受到干擾，導致鋼筋籠安放不到位。當鋼筋籠下放未到位時，應將鋼筋籠重新用機器提起。在提起過程中，及時進行糾偏且盡量保證鋼筋籠在提起過程中不觸碰孔壁的原則，直至糾正到位后，在按原定方案下放鋼筋籠。當鋼筋籠下放到指定位置后再重新檢查直至合格，并重新進行清孔，確保孔內沉渣厚度小于50 mm等施工參數合格后，再進行下道工序混凝土的灌注。

4.4 二次清孔

現場施工過程中采用二次清孔，現場φ600的樁徑可采用正循環清孔。正循環清孔需要較長時間(30 min～90 min且應繼續清孔至混凝土到場為止)；φ800的樁徑可采用正循環清孔和反循環清孔，反循環清孔時間較短(控制在15 min～20 mim且應繼續清孔至混凝土到場為止)，確保現場沉渣厚度。第二次清孔結束后，泥漿指標應在1.10～1.25范圍之內，孔底沉渣厚度應小于50 mm要求，并會同監理單位進行驗收，驗收合格后及時進行下道工序——混凝土灌注工作。

4.5 混凝土灌注

混凝土澆筑前，到場混凝土應首先檢查混凝土的配比單、塌落度、和易性等是否滿足圖紙的要求，在檢查合格的基礎上留置一組標養試塊。混凝土初灌是水下樁灌注的關鍵環節，不同樁徑應分別計算，采用不同的初灌斗進行灌注，因此應嚴格計算好初灌量。混凝土灌注時，應具有一定的沖擊能量，能把導管下沉渣擠出，初灌后導管埋深應滿足≥0.8 m。首次澆筑采用混凝土隔水板，隔水板用直徑φ6鋼絲懸吊在混凝土漏斗下口，當混凝土裝滿漏斗下放后，打開隔水板排開泥漿進行澆筑，盡可能將孔底沉渣沖開，以減少樁基后續的沉降。混凝土澆筑過程應連續進行，隨澆隨拔管，盡量避免澆筑混凝土過程中的停頓，以免中途停頓造成斷樁。在整個澆筑混凝土過程中，導管需在混凝土中埋深2 m～6 m，利用導管內外混凝土的壓力差，使混凝土的澆筑面不斷上升，并控制好上升速度不低于2 m/h，直至高于設計標高，且超灌高度不小于1 m。在澆筑混凝土過程中，應防止混凝土拌和物從漏斗頂部溢出，或從漏斗外掉入孔底，使泥漿內含有水泥而變稠凝結，致使測探數據不準確。導管提升時，應保持軸線豎直和位置居中，逐步提升，澆筑中導管需有被卡后的處理措施。在澆筑混凝土接近結束時，應在孔內注入適量清水，使槽內泥漿稀釋并將泥漿排出槽外，并使管內混凝土有一定的高度。澆筑完畢后，計算出灌注樁的充盈系數是否滿足1.05～1.3的設計要求。

混凝土灌注堵管處理措施：在進行首批混凝土灌注時，有時也會遇到各種原因導致混凝土無法下放。當混凝土澆筑不多時，時間不長，且在混凝土初凝前，堵管強度不高的情況下，可采用沖震法，即在不拔出導管的情況下，用施工機械提拔導管夾板沖震導管，通過沖震力解除堵管，此方法中需注意不能將導管底部拔出混凝土原灌注面。當混凝土澆筑較多時，且配料不合理引起的堵管可采用三快一沖法。即當澆筑過程中發生堵管，可通過快速拔管，快速清理，快速下管，并用泥漿沖洗原澆筑混凝土面，同時應將導管插入原混凝土面1 m左右，在按原定的初灌次序澆筑混凝土。

5 鉆孔灌注樁后注漿

鉆孔灌注樁后，注漿主要是對樁端持力層進行加固，提高單位面積抗壓端承載力值，減少樁基沉降的一種技術措施。此技術是在混凝土樁身達到一定強度后，通過在樁內預埋的注漿管道，采用機械設備灌注水泥漿，從而減少樁基沉降提升樁基承載能力，進一步提升樁基附近局部位置的土體強度。該工程注漿漿液采用P042.5級普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比取0.6，配置好的漿液通過濾網過濾。在灌注樁成樁后的7 h～8 h，采用清水進行開塞。開塞壓力0.8～1.2 MPa，開塞后應立即停止壓力。在每個承臺最后一根樁成樁5 d后開始注漿作業，注漿過程中控制好注漿壓力和注漿速度。當注漿量達到設計要求后，即可停止注漿。

6 結語

從該工程的施工經驗得出，對較厚砂層下的灌注樁施工，具有一定的特殊性。針對較厚砂層中的灌注樁施工，應嚴格按照施工步驟提前做好準備，通過采取一定的控制措施，控制好樁位、樁徑、孔深、沉渣厚度、泥漿指標、混凝土灌注程序等一系列重要施工參數，減少施工過程中砂層對樁基施工的影響，進而提高巨厚砂層中灌注樁施工成樁質量。